第二十一部分
湯姆和玻爾的原子結構模型質子的康普頓波長
科學史上,常用科學家的名字來命名他發現的某種特殊現象,例如在光的散射研究中,就有著名的康普頓效應和拉曼效應。
1923年,美國物理學家康普頓(AHCompton)在觀察X射線被較輕物質散射時,發現在散射光譜中除了波長和原有射線相同的成分外,還包括一些波長較長的部分,兩者的波長差值的大小與散射角有關,它們的強度遵從一定的規律。這種現象叫做康普頓效應。
早期的電磁波經典理論認為,單色電磁波作用於比波長尺寸小的帶電粒子上時,引起受迫振動,向各方向輻射同頻率的電磁波。但是,康普頓效應中波長發生了變化,經典理論對此不能做出合理解釋,但是借助於愛因斯坦提出的光電子理論能得到科學的解釋。
康普頓效應是高能的光子和低能的自由電子作彈性碰撞的結果。光子不僅具有能量,而且具有動量。在碰撞過程中,光子把一部分能量傳遞給電子,減少了它的能量,因而也就降低了它的頻率。根據碰撞粒子的能量和動量守恒,可以導出頻率改變和散射角的依賴關係,從而可以定量描述康普頓效應。
康普頓在做散射實驗康普頓效應也證實了光除了具有早已熟知的波動性以外,還具有粒子的性質,也就是光是由互相分離的若幹粒子所組成的,這種粒子也能表現出一般物質粒子的特性。
康普頓波長的含義是,入射角為90°時,入射波與散射波的波長差;它也可以理解為,入射光子的能量與粒子的靜止能量相等時所相應的光子的波長。康普頓波長與粒子的靜止質量成反比,質量越大,康普頓波長越小。例如,電子的康普頓波長為2426 31×10-12m,質子的康普頓波長為1321 41×10-15m,中子的康普頓波長為131959×10-15m。
由於對康普頓效應的一係列實驗及其理論解釋,康普頓和英國的威爾遜分享了1927年的諾貝爾物理學獎。
受到康普頓效應的啟發,印度科學家發現了拉曼效應,即光的頻率在散射後會發生變化,頻率的變化大小取決於散射物質的特性。拉曼效應是入射光子和分子相碰撞時,分子的振動能量或轉動能量和光子能量疊加的結果。拉曼也因此獲得了1930年的諾貝爾物理學獎,成為亞洲獲獎第一人。LIGO引力波觀測儀的理論測量精度
探測引力波是當代科學中最具有挑戰性的一項難題。
目前世界上已建成的最大的引力波觀測儀是美國的LICO(“激光幹涉引力波觀測儀”的英文縮寫),共有兩座,分別位於路易斯安那州的利文斯敦和華盛頓州的漢福德,兩地相隔3 000多千米。之所以在不同的地點建造兩套探測設備,是為了對可能的發現做雙重檢驗,排除偶然的誤差。